基于量子化、芯片化的先進計量測試技術發展動態

杜曉爽 胡毅飛 馮英強 楊 軍 何 巍 費 豐 劉原棟 蔡 靜 林 敏 吳愛華 郝新友 諶 貝 劉 杰

（1.北京無線電計量測試研究所，北京100039；2.計量與校準技術重點實驗室，北京100039；3.中國電子科技集團公司第四十一研究所，山東青島266555；4.中國兵器工業集團第五三研究所，山東濟南250031；5.中國航空工業集團公司北京長城計量測試技術研究所，北京100095；6.中國原子能科學研究院，北京102413；7.中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊050051；8.國防科技工業顆粒度一級計量站，河南新鄉453019）

1 引 言

計量是國家質量基礎的重要組成部分，產品質量的提升離不開科學、精準的計量。工業發達國家極為重視計量測試技術的發展。分析國外先進計量測試技術發展動態與趨勢，可為我國計量技術發展提供借鑒。

自2019年5月20日起，國際單位制（SI）發生重大變革，7 個基本單位全部由基本物理常數定義，從而以更高穩定性、復現不受時空約束等優勢，滿足人類在科學探索、技術發展等方面長遠需求。國際單位制重新定義將導致“計量單位量子化”和“量值傳遞扁平化”，使全球測量體系發生重構，形成扁平化的溯源體系，對國家治理體系和人們的傳統觀念帶來重大影響和挑戰。

基于量子效應開展單電子隧道效應電流、石墨烯芯片電阻等計量研究，新概念核子鐘的準確度和穩定性有望超越現有原子鐘水平；碳納米溫度計趨于實用化，多層納米膜厚標準樣片研究取得新進展；太赫茲時域光譜測量、無線傳輸、通信質量評價以及散射參數校準等技術取得新突破；飛秒激光技術廣泛應用于電場高精度時域測量、空間精密時頻傳遞等計量領域，飛秒激光窄脈沖噪聲特性計量技術得到發展；光鐘芯片化研究進展迅速，芯片級計量技術應用領域向熱學、力學、化學等專業擴展；石墨烯材料、紅外探測技術在物理分離和成分測試應用方面取得進展；復雜電磁環境模擬、多域融合、空間環境等計量測試技術研究促進綜合、現場、動態、特殊環境計量測試準確度的提升與測量效率的提高。

2 基于量子效應的計量技術發展迅速

美國是最早將量子技術列為國防與安全研發計劃的國家。早在2002年，DARPA 就制定了《量子信息科學與技術規劃》，并于2004年發布2.0 版。2007年，DARPA 將量子技術作為核心技術基礎列入戰略規劃。2009年，美國國家科學與技術委員會（NSTC）發布出版了《量子信息科學的聯邦愿景》，建議聯邦政府加強對量子技術的控制和利用。為此，美國國家科學基金會專門建立了《量子信息科學跨學科研究計劃》。2016年7月，美國NSTC 發布《推進量子信息科學發展:美國的挑戰與機遇》報告，分析美國在該領域發展所面臨的挑戰與應對措施、以及聯邦政府主要機構在量子信息科技發展領域的投資重點。作為NSTC 報告的補充，之后美國能源部發布了《與基礎科學、量子信息科學和計算交匯的量子傳感器》報告。2018年6月，美國眾議院科學委員會高票通過《國家量子倡議法案》，計劃在10年內撥給美國能源部、美國國家標準與技術研究所以及美國國家科學基金會12.75 億美元，全力推動量子科學發展。

歐洲作為量子理論的發源地，高度重視量子技術對國家安全、經濟發展等方面的影響。2005年，歐盟發布《歐洲研究與發展框架計劃》（第七框架計劃）并提出《歐洲量子科學技術》計劃和《歐洲量子信息處理與通信》計劃。2016年3月，歐盟發布《量子宣言》，旨在培育形成具有國際競爭力的量子工業，確保歐洲在未來全球產業藍圖中的領導地位。2018年，歐盟啟動了斥資10 億歐元的量子技術旗艦計劃，聚焦量子通信、量子傳感器、量子模擬器和量子計算機4 個細分領域。

英國也高度重視量子科學的基礎研究工作。2015年，英國政府發布了《量子技術國家戰略》和《英國量子技術路線圖》，將量子技術發展提升至影響未來國家創新力和國際競爭力的重要戰略地位。此外，日本、韓國、新加坡等科技強國均發布了自己的“量子科學發展計劃”，并將研究重點放在了量子通信、量子計算等領域。

量子計量技術是基于微觀粒子量子態的精密測量，完成被測物理量的變換和信息輸出，在測量精度、靈敏度和穩定性等方面與傳統計量技術相比有明顯優勢［1］。量子計量具有精度高、溯源性好、易實現芯片化等特點。隨著量子計量技術應用的不斷發展，直接嵌入到裝備中的“芯片化”量子傳感器已經顯現了基本雛形，具有體積小、精度高、免標定等特點的量子傳感器，可大幅提升整體裝備性能。

以量子技術和基本物理常數為基礎建立量子計量基標準，將大幅提高測量準確度和穩定性。量子技術不斷推動計量標準的發展，冷原子技術應用從時頻延伸到加速度和真空測量等領域；新概念核子鐘將在準確度和穩定性方面超越現有的原子鐘水平；單電子隧道效應實現了電流單位自然基準；石墨烯霍爾效應芯片應用于基標準成為國際熱點。

2.1 核子鐘研究獲得突破

為了更深入開展暗物質探測、大地測量等基礎及應用物理研究，科學家們提出了一種新型時鐘，即基于原子核的新型核子鐘。傳統原子鐘基于電子能級變換來準確測量時間，而新型核子鐘基于229Th 原子核的新型核子鐘，利用原子核能量狀態的變換來準確測量時間。相比于原子中的電子，原子核質量大、體積小（約為原子體積十萬分之一），結構更穩定，幾乎不受外部因素的影響，遠優于電子結構。根據預測，這種新型核子鐘的頻率準確度可達到1.5E-19。日本岡山大學（Okayama University）Masuda 所在團隊實現了229Th 的激發及同質異能態229mTh 的產生［2］；德國科學家Seiferle 所在團隊實現了同質異能態229mTh 到基態躍遷能量的測量，突破了對同質異能態的光學激發及測量研究，解決了同質異能態狀態不明確難題［3］，為核子鐘的進一步研發奠定基礎。新型核子鐘原理及實物如圖1 和圖2 所示。

圖1 新型核子鐘原理圖Fig.1 Principle of new nuclear clock

圖2 新型核子鐘實物圖Fig.2 Picture of new nuclear clock

2.2 汞離子微波頻標搭載升空

2019年6月，美國噴氣推進實驗室（JPL）研制的深空原子鐘（DSAC），即汞離子微波頻標，利用SpaceX 的獵鷹重型火箭成功發射。此次發射主要目的是為驗證汞離子微波頻標的空間特性及確認其對深空探測的有效性。美國國家航空航天局（NASA）將監測它在離地球720km 高空環繞運行的情況，以期徹底改變深空旅行。汞離子微波頻標比GPS 星載原子鐘準確度提高了50 倍，有望應用于火星或者其他行星等遙遠目的地的探測任務［4］。汞離子微波頻標搭載實物如圖3 所示。

圖3 美國JPL 研制的汞離子微波頻標搭載實物圖Fig.3 Picture of mercury ion microwave frequency standard（DSAC） by JPL

2.3 量子電流標準研究取得新進展

美國國家標準與技術研究院（NIST）開展了Si基單電子隧道效應（SET）電流標準芯片的研究，目前處于試驗階段； 歐洲國家計量機構協會（EURAMET）啟動了新型量子電流標準的研制項目（SIB07），成功研制了量子電流標準裝置，電流下限擴展至100pA，標準不確定度A 類分量達到1E-7量級［5］。項目研制的單電子源示意如圖4 所示。

圖4 EURAMET 量子電流項目的單電子源示意圖Fig.4 Sketch diagram of single-electron by SIB07

2.4 碳化硅上的石墨烯芯片將應用于量子化電阻標準

美國NIST 和英國國家物理研究室（NPL）等科研機構基于石墨烯技術被新一代量子電阻標準被成功研制［6］，在碳化硅上制作石墨烯霍爾效應芯片，放寬了工作溫度范圍，利用小型制冷機實現無液氦低溫技術，解決了傳統材料被低溫和振動指標所限的問題。復現電阻不確定度達到2E-8（100Ω～1kΩ），同時降低了量子化電阻標準裝置的使用復雜度和限制條件。新一代量子電阻計量基準及兩個位于碳化硅上的石墨烯芯片如圖5 和圖6 所示［7］。

圖5 新一代量子電阻計量基準實物圖Fig.5 Picture of new resistance metrology main standard

圖6 制作在碳化硅上的石墨烯芯片實物圖Fig.6 Picture of Carbon Si graphene on-chip

圖6 中，上方是16 個小量子霍爾器件的陣列組合，下方只是一個器件。這些器件由無引線的芯片載體固定，可以安裝在電路板上，便于使用。

2.5 室溫下可預測量子效率探測器

德國物理研究院（PTB）聯合芬蘭、捷克和新西蘭研究人員研制出一種工作于室溫下的可預測量子效率探測器（RT-PQED），并經過線性、溫度特性、入射角度、光譜、偏振依賴性和帶寬依賴性等方面的測試。在可見光范圍內，動態范圍覆蓋70μW/m2～40W/m2，噪聲等效功率優于1E-10A/Hz1/2（@10℃）、相對擴展不確定度0.01%。與當前國際上廣泛使用的低溫輻射計為量值源頭的傳遞鏈相比，是一種成本更為低廉、操作簡單的校準裝置。RT-PQED 結構示意如圖7 所示［8］。

圖7 RT-PQED 結構示意圖Fig.7 Sketch diagram of structure of RT-PQED

2.6 突破基于超導量子干涉儀的高分辨γ 譜測量技術

德國海德堡大學（Heidelberg University）、美國勞倫斯國家實驗室（Lawrence Livermore）開發基于超導量子干涉儀（SQUID）的X 射線、γ 射線能譜測量裝置，突破mK 水平制冷、基于微機電系統（MEMS）制造的Au:Er 順磁材料合成的傳感器制備等關鍵技術，實現對約100keV 低能γ 射線的測量，能量分辨力優于0.1%，較傳統高純鍺γ 譜儀提高近10 倍［9-13］。可用于核材料核查、中微子或暗物質測量等前沿基礎研究領域。高分辨γ 譜儀探測器探頭測量原理如圖8 所示。

3 芯片級計量標準研究成為熱點

隨著美歐等發達國家持續推進新一輪工業革命，量子效應結合微加工技術實現芯片級的測量。芯片計量標準為新一輪以信息技術、大數據和人工智能為特征的工業革命插上飛翔的“翅膀”。通過嵌入芯片級計量標準，把最高測量準確度直接賦予制造設備并保持長期穩定，可以實現對產品制造過程的準確感知和最佳控制，有力支持流程再造、節能減排和質量提升等。芯片級計量技術在頻率標準、膜厚標準等領域取得較大進展。

圖8 高分辨γ 譜儀探測器的探頭測量原理圖Fig.8 Principle of high resolution probe for γ spectrometer detector

微納尺度計量技術在科學研究、精密測量、智能制造等領域得到廣泛應用。微納尺度測量技術除納米顆粒尺寸、定位領域外，在多層納米膜厚標準樣片領域取得較大進展。

3.1 光鐘芯片化研究進展迅速

為提高原子鐘集成度，推進光鐘和新型微波鐘的實用化水平，激光光路、原子氣室芯片化研究正在積極開展。由美國NIST 牽頭、多個科研機構參與的原子鐘光子集成研究項目組，于2019年5月提出了一個光子集成的光鐘架構，成功研制了778nm DBR 激光器、微加工銣泡及2 套微加工光梳，并做了初步的實驗驗證（由DARPA Atomic clock with Enhanced Stability（ACES）項目支持）。該實驗利用銣原子雙光子躍遷實現778nm 激光頻率的鎖定，通過光梳頻率轉換獲得22GHz 微波信號，1s 頻率穩定度達到4.4E-12，10 000s 頻率穩定度達到2E-13［14］。芯片式光學頻率梳原理及光子集成光鐘系統如圖9 和圖10 所示［15］。

圖9 芯片式光學頻率梳原理圖Fig.9 Principle of chip-scale optical frequency comb

圖10 光子集成光鐘系統圖Fig.10 Photonic integrated optical clock system

3.2 平面型芯片級超導光輻射探測器研制成功

美國NIST 利用碳納米管與硅微加工技術研制出一種平面型芯片級超導光輻射探測器，建立了結構緊湊、易于使用的光輻射校準系統，在單個探測器中實現了從紫外到太赫茲波段的輻射校準，波長范圍覆蓋（406～1 625）nm，光功率相對擴展不確定度達到0.012%@633nm。該新型平面型探測器可作為光功率標準，未來還將發展陣列型和面陣型超導探測器，用于光譜和成像應用［16］，其實物如圖11所示。

圖11 平面型芯片級超導光輻射探測器Fig.11 Picture of planar chip-scale superconductive optical detector

3.3 應用于光學傳感的寬調諧硅上集成激光器

芬蘭等國家相關研究團隊研發了一種工作在2.35μm 波段的寬調諧硅上集成激光器，通過磷化銦（InP）基的二類量子阱外延結構被鍵合到硅基光波導上來實現片上集成的半導體光放大器，激光器的工作波長可以通過調節兩個硅基微環濾波器的重合共振峰來控制，在連續波條件下具有超過30nm的可調諧波長范圍，而在脈沖條件下可以實現50nm的調諧范圍。該激光器基于可調諧激光吸收光譜技術，可用于在不同的吸收峰探測CO 氣體，實驗結果與傳統數據庫非常吻合，這表明該激光器適合在較寬波長范圍內進行光學傳感探測，另外還實現了中紅外硅基光電子傳感器所需的其他元件，如硅上集成的光電探測器和光譜儀。在未來的研究中，將采用硅上集成的中紅外激光器進行多種痕量氣體的同時探測。寬調諧硅上集成激光器原理如圖12 所示［17］。

圖12 寬調諧硅上集成激光器原理圖Fig.12 Principle of widely tunable integrated laser on Si

3.4 半導體多層納米膜厚標準樣片取得突破

隨著半導體產業的快速更新發展及新型高性能材料的不斷涌現，對新型材料多層薄膜厚度的測量準確度要求越來越高，而薄膜的厚度直接影響器件的性能指標。美國NIST 開展了多層納米膜厚標準樣片的研究工作，采用多層膜厚標準樣片對膜厚測量儀的準確性進行監控，進而保證工藝過程中多層薄膜厚度的準確，標準樣片鉻層的標稱厚度達到53nm，鎳層的標稱厚度達到64nm，膜厚相對擴展不確定度達到3.3%，可用于對膜厚測量儀的準確度進行評價。多層薄膜標準樣片截面如圖13 所示［18］。

圖13 多層薄膜標準樣片截面示意圖Fig.13 Sectional schematic diagram of multilayered thin film standard sample

4 太赫茲計量技術取得新進展

太赫茲技術在通信、安檢、雷達、遙感等領域具有廣闊的應用前景。近年來，隨著太赫茲傳輸、通信、芯片等技術的不斷成熟，相關評價、測量和校準技術研究與應用結合愈加緊密，太赫茲時域光譜測量、太赫茲場時域測量、太赫茲無線傳輸、太赫茲通信質量評價以及太赫茲散射參數校準等技術取得新突破。

4.1 基于新原理的太赫茲時域光譜測量方法不斷涌現

太赫茲時域光譜測量系統是最為常用的太赫茲測量設備，常規實現方法有兩種:一是使用鎖模激光器與外部延時線，二是使用具有固定頻差的兩個鎖模激光器。德國弗勞恩霍夫協會技術與經濟數學研究所（ITWM）提出了一種基于新原理的太赫茲時域光譜測量方法，該方法采用單激光偏振控制光采樣技術（SLAPCOPS），利用偏振復用的單激光器產生不同重復頻率的脈沖序列，并結合常規的光纖耦合太赫茲裝置，實現頻譜寬度2.5THz、動態范圍50dB 的時域光譜測量能力。該系統原理框圖如圖14 所示［19］。

圖14 基于SLAPCOPS 技術的太赫茲時域光譜系統框圖Fig.14 Block diagram of SLAPCOPS-based terahertz TDS system

4.2 基于電光取樣的太赫茲場時域測量技術日趨完善

德國康斯坦茨大學（University of Konstanz）研究人員提出了一種電場共軛變量的時域測量方法。通過偏振橢球的變化，實現了由探測光和太赫茲場的非線性混頻引起的偏振態測量，并利用空間分辨測量方法，深入分析了和頻與差頻過程對電光取樣信號的影響。該方法結合λ/4 和λ/2 波片可實現電場及其共軛變量的實時精密測量。電場時域波形與電場變化測量結果如圖15 所示［20］。

圖15 基于電光取樣的測量結果Fig.15 Measurement results based on electro-optic sampling

4.3 基于無線與光纖鏈路的太赫茲傳輸技術不斷發展

高速數據傳輸需求推動太赫茲無線傳輸技術不斷快速發展。日本大阪大學（Osaka University）提出一種太赫茲無線傳輸鏈路，能夠直接與太赫茲光纖鏈路匹配，實現8Gbit/s 的零誤碼傳輸，并在載波頻率0.33THz 實現高清無壓縮4K 視頻傳輸。該技術將為下一代通信系統的研制提供借鑒，同時在遙感、生物醫學和安全等方面具有廣泛的應用前景。太赫茲無線與光線鏈路原理及基于該原理的4K 視頻傳輸系統如圖16 和圖17 所示［21］。

圖16 THz 無線與光纖鏈路原理圖Fig.16 Principle of terahertz communications with wireless and fiber links

圖17 基于太赫茲無線與光纖鏈路的4K 視頻傳輸系統圖Fig.17 4K video transmission system based on terahertz communications with wireless and fiber links

4.4 太赫茲通信質量評價取得新進展

捷克計量研究院（CMI）和德國PTB 對300GHz數字通信傳輸系統的通信質量進行了評價。常用方法是使用矢量信號分析儀對系統輸出調制信號的誤差矢量幅度（EVM）進行測量，但受到儀器本身帶寬的限制，結合數字實時示波器和數學處理技術，使對通信信號的分析能力超過了當前已有的矢量信號分析儀。該系統理論上傳輸帶寬可達10GHz，除了對BPSK，QPSK，8PSK，16QAM，64QAM，256QAM 等不同調制方式和信號符號速率進行評價之外，還對實時示波器測量得到的EVM 進行了測量不確定度分析評定。300GHz 通信系統測量系統如圖18 所示［22］。

圖18 300GHz 通信系統調制誤差測量系統框圖Fig.18 Measurement setup for the measurement of modulation error parameters in the 300GHz transmission system

4.5 S 參數計量技術在太赫茲等研究發展方向不斷擴展

國際上S 參數計量技術主要沿著太赫茲、片上、非線性等方向發展。在太赫茲方向，主要開展校準方法和測量不確定度分析等研究，頻率達到1.1THz；在片上方向，主要開展在片校準和在片負載牽引等技術研究，頻率達到500GHz；在非線性方向，主要開展應用多諧波失真（PHD）模型、CM+模型提取非線性參數等技術研究，使放大器等非線性器件的測量建模更加精準，為芯片設計制造行業提供計量保障。在片S 參數散射校準系統如圖19 所示［23］。

圖19 在片S 參數校準系統圖Fig.19 Picture of on-chip S parameter calibration system

5 先進材料分析技術應用領域不斷拓寬

先進材料研制生產是先進工業發展的重要基石之一，其測試分析對于高性能材料的研制生產質量控制具有關鍵作用，發達國家高度重視對先進材料測試分析方面的投入，石墨烯、頻率梳等研究已成為重點。近期國外科學家不斷挖掘石墨烯材料、紅外探測技術在其它非傳統領域中的應用，在新材料物理分離和成分測試方面進行了有益嘗試。

5.1 石墨烯用于離子物化特性測量

美國NIST 研究發現經過特殊處理后的石墨烯，可以形成一種具有冠醚微孔的石墨烯篩，此石墨烯篩具有高度的離子選擇性和機械敏感性，可作為可調諧離子過濾器用于液體中的離子物化特性計量，未來還將應用于納米級機械傳感器、納米級藥物遞送、前沿武器裝備微處理器等尖端應用。其原理示意如圖20 所示［24］。

圖20 石墨烯用于離子計量原理示意圖Fig.20 Principle of ion metrology based on grapheneembedded

5.2 利用紅外頻率梳測量生物特征

美國NIST 研制了一種緊湊型頻率梳裝置，可以快速測量整個紅外光譜，以測量物質的生物、化學和物理特性［25］。研究人員采用雙光梳采樣法，通過近紅外激光頻率梳快速采樣紅外電場來實時檢測信號，對單克隆抗體參考物質（一種超過20 000 個原子組成的蛋白質）進行了測量，測量示意圖如圖21 所示［26］。

圖21 紅外與近紅外雙光梳光譜儀測量生物分子特征示意圖Fig.21 An MIR electric field induces a nonlinear polarization rotation（Infrared dual frequency comb electric field sampling）

5.3 成功研制寬分布單分散顆粒標準物質

美國Duke 科技公司采用聚苯乙烯與對苯二烯共聚的方法，在世界上首次成功研制了寬分布單分散顆粒標準物質，其顆粒尺寸范圍（5 ～40）μm，顆粒尺寸分布CV 值5. 7% ～12%，擴展不確定度（0.3 ～1.5）μm，可解決激光散射顆粒測量儀器分辨力較差、誤差較大等問題，將用于校準基于光散射、聲學成像、電荷位移等測量原理的顆粒度測量儀器。Duke 2000 標準物質如圖22 所示［27］。

圖22 寬分布單分散顆粒標準物質示意圖Fig.22 Particulate reference material of broad distribution monodisperse

5.4 光粒子陷阱技術可實時偵檢毒劑

美國國防威脅降低局（DTRA）開發了光粒子陷阱（OPT）技術，在此基礎上，美國陸軍研究實驗室（ARL）和美國桑迪亞國家實驗室（SNL）成功研制OPT 裝置，利用光輻射壓力和光波力在粒子穿過裝置時穩定粒子，并對單束激光捕獲的空氣懸浮微粒快速成像。在捕獲和測量過程中，反向散射隨著粒子的大小、形狀、表面粗糙度和運動方向而改變，彈性光散射對單個氣溶膠顆粒復雜折射率和表面粗糙度等特性敏感，顆粒尺寸下限達到（10 ～15）μm，目前仍在測試階段。在不同環境因素（如高濕度和大氣中的有機碳濃度）對特定類型氣溶膠粒子影響的分析研究也在進行中。將應用于空氣中快速捕獲和識別單種有毒粒子，特定類型氣溶膠的實時、現場識別［28］。光粒子陷阱技術示意圖如圖23 所示［29］。

6 結束語

圖23 光粒子陷阱技術示意圖Fig.23 Sketch diagram of optical particle trap

本文通過搜集、整理量子效應計量、芯片級計量、太赫茲計量、先進材料分析技術等方面國內外大量文獻資料，以目前高速發展的量子效應及芯片級計量為側重點，歸納并分析了國外先進計量技術發展動態與趨勢，可為我國計量技術發展提供借鑒。